El problema de renderizar gráficos 3D se puede presentar conceptualmente como la búsqueda de todas las intersecciones entre un conjunto de " primitivos " (normalmente triángulos o polígonos ) y un conjunto de "rayos" (normalmente uno o más por píxel). [1]
Hasta 2010, todas las placas de aceleración gráfica típicas, llamadas unidades de procesamiento gráfico (GPU), utilizaban algoritmos de rasterización . El algoritmo de trazado de rayos resuelve el problema de renderizado de una manera diferente. En cada paso, encuentra todas las intersecciones de un rayo con un conjunto de primitivas relevantes de la escena.
Ambos enfoques tienen sus propias ventajas y desventajas. La rasterización se puede realizar utilizando dispositivos basados en un modelo de computación de flujo , un triángulo a la vez, y se necesita acceder a la escena completa solo una vez. [a] La desventaja de la rasterización es que los efectos no locales, necesarios para una simulación precisa de una escena, como los reflejos y las sombras , son difíciles de calcular; y las refracciones [2] son casi imposibles de calcular.
El algoritmo de trazado de rayos es inherentemente adecuado para el escalado por paralelización de representaciones de rayos individuales. [3] Sin embargo, cualquier otra cosa que no sea la proyección de rayos requiere la recursión del algoritmo de trazado de rayos (y el acceso aleatorio al gráfico de escena ) para completar su análisis, [4] ya que los rayos reflejados, refractados y dispersos requieren que se vuelva a acceder a varias partes de la escena de una manera que no es fácil de predecir. Pero puede calcular fácilmente varios tipos de efectos físicamente correctos , lo que proporciona una impresión mucho más realista que la rasterización. [b]
La complejidad de un algoritmo de trazado de rayos bien implementado escala logarítmicamente; [c] esto se debe a que los objetos (triángulos y conjuntos de triángulos) se colocan en árboles BSP o estructuras similares, y solo se analizan si un rayo se interseca con el volumen delimitador de la partición del espacio binario. [5] [d]
Implementaciones
Se han creado varias implementaciones de hardware de trazado de rayos, tanto experimentales como comerciales:
(1995) Advanced Rendering Technology (ART) fundada [6] en Cambridge, Reino Unido, basada en una tesis doctoral de 1994, para producir silicio dedicado al trazado de rayos (inicialmente el chip "AR250", que aceleraba la intersección de rayos y triángulos, el recorrido de cuadros delimitadores y el sombreado), utilizando un acelerador en red "RenderDrive" para la renderización fuera de línea. [7] Los productos se enviaron por primera vez a los clientes en 1998. [8] El software proporcionó integración con los formatos de datos Autodesk Maya y Max , y utilizó el lenguaje de descripción de escenas Renderman para enviar datos a los procesadores (el formato de archivo .RIB o Renderman Interface Bytestream). [9] ART fue refundada como ART-VPS en 2002. [10] A partir de 2010, ART-VPS ya no produce hardware de trazado de rayos, pero continúa produciendo software de renderización. [10]
(1996) Investigadores de la Universidad de Princeton propusieron utilizar DSP para construir una unidad de hardware para la aceleración del trazado de rayos, llamada "TigerSHARK". [11]
(2002) El laboratorio de gráficos por ordenador de la Universidad del Sarre, dirigido por el Dr.-Ing. Philipp Slusallek, ha producido un prototipo de hardware de trazado de rayos que incluye el chip SaarCOR (Saarbrücken's Coherence Optimized Ray Tracer) basado en FPGA y con funciones fijas y controlado por datos [15] [16] [17] y un procesador programable más avanzado (2005), la unidad de procesamiento de rayos (RPU) [18].
(2009–2010) Intel [19] presentó su prototipo de GPU "Larrabee" y el MIC Knights Ferry en el Intel Developer Forum de 2009 con una demostración de trazado de rayos en tiempo real.
Caustic Graphics [20] produjo una tarjeta enchufable, la "CausticOne" (2009), [21] que aceleraba la iluminación global y otros procesos de renderización basados en rayos cuando se acoplaba a una CPU y GPU de PC. El hardware está diseñado para organizar los rayos dispersos (normalmente producidos por problemas de iluminación global) en conjuntos más coherentes (menor dispersión espacial o angular) para su posterior procesamiento por un procesador externo. [22]
Siliconarts [23] desarrolló un hardware dedicado al trazado de rayos en tiempo real (2010). Se anunció RayCore (2011), que es la primera propiedad intelectual de semiconductores del mundo para el trazado de rayos en tiempo real.
En agosto de 2013, Imagination Technologies , tras adquirir Caustic Graphics , produjo las tarjetas enchufables R2500 y R2100 de Caustic Professional que contienen unidades de trazado de rayos (RTU) RT2. Cada RTU era capaz de calcular hasta 50 millones de rayos incoherentes por segundo. [24]
En enero de 2018, Nvidia , en asociación con Microsoft DirectX , anunció la biblioteca para desarrolladores Nvidia RTX, [25] que prometía soluciones rápidas de trazado de rayos de software de GPU en las GPU de la generación Volta . [26]
En septiembre de 2018, Nvidia presentó sus GPU GeForce RTX y Quadro RTX, basadas en la arquitectura Turing , con trazado de rayos acelerado por hardware utilizando un bloque funcional separado, llamado públicamente "núcleo RT". Esta unidad es algo comparable a una unidad de textura en tamaño, latencia e interfaz con el núcleo del procesador. La unidad presenta travesía BVH , descompresión de nodo BVH comprimido, prueba de intersección ray-AABB y prueba de intersección ray-triángulo. [27] La GeForce RTX 2080 y 2080 Ti se convirtieron en la primera marca de tarjeta gráfica orientada al consumidor que puede realizar trazado de rayos en tiempo real. [28]
En octubre de 2020, AMD anunció más información sobre la "actualización" de la microarquitectura RDNA . Según la empresa, la microarquitectura RDNA 2 admite el trazado de rayos acelerado por hardware en tiempo real, que consiste en decodificación de nodos BVH, pruebas de intersección de rayos AABB y pruebas de intersección de rayos y triángulos. [29] [30]
Intel lanzó la GPU Arc Alchemist en 2022, [31] [32] [33] en la que la GPU presenta un núcleo de aceleración de trazado de rayos que funciona comparativamente con la GPU de gama media de la serie RTX 3000. [34]
El 4 de noviembre de 2021, Imagination Technologies anunció su GPU IMG CXT con trazado de rayos acelerado por hardware. [35] [36]
El 18 de enero de 2022, Samsung anunció su SoC Exynos 2200 AP con trazado de rayos acelerado por hardware basado en la arquitectura de GPU AMD RDNA2. [37]
El 28 de junio de 2022, Arm anunció su Immortalis-G715 con trazado de rayos acelerado por hardware. [38]
El 16 de noviembre de 2022, Qualcomm anunció su Snapdragon 8 Gen 2 con trazado de rayos acelerado por hardware. [39] [40]
El 12 de septiembre de 2023, Apple anunció su Apple A17 con trazado de rayos acelerado por hardware. [41]
Notas
^ Para visualizaciones adicionales, como sombras o reflejos como los que produce una gran masa de agua plana, se requiere una pasada adicional del gráfico de escena para cada efecto.
^ Los métodos de rasterización son capaces de generar sombras realistas (incluidas sombras producidas por objetos parcialmente transparentes) y reflexiones planas fácilmente (a partir de 2010), pero no implementan fácilmente reflexiones de superficies no planas (excluyendo aproximaciones que utilizan mapas normales ) o refracciones.
^ Es decir, si X es el número de triángulos, entonces el número de cálculos para completar la escena es proporcional a log(X).
^ Los mismos métodos se pueden utilizar en la rasterización; en una implementación simplista, la eliminación se limita a aquellas particiones BSP que se encuentran dentro del frustum de visualización mucho más grande (las implementaciones más avanzadas incluyen aquellas que implementan la eliminación de oclusión o la escala de renderizado predicha mejor que linealmente para escenas complejas (especialmente muy ocluidas) (nota en las API comunes: DirectX 10 D3D10_QUERY_OCCLUSION_PREDICATE [1], en OpenGL 3.0 HP_occlusion_query ). Con el trazado de rayos, el frustum de visualización se reemplaza por el volumen encerrado por un solo rayo (o paquete de rayos).
Referencias
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Lectura adicional
Estado del arte en trazado de rayos interactivo Ingo Wald y Philipp Slusallek, Computer Graphics Group, Universidad del Sarre, Artículo de revisión hasta el año 2001
